周瀟雅,楊 亮,張 茜,孫樹(shù)森,肖 進(jìn)
(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)
新一代運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)采用全新的一體化能源子系統(tǒng)方案,從而實(shí)現(xiàn)全箭統(tǒng)一供配電。電氣系統(tǒng)的能源子系統(tǒng)承擔(dān)了對(duì)全箭全部能源需求及接口規(guī)格進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃的重要職責(zé),是優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高可靠性的關(guān)鍵系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)采用基于文檔的研制模式,在研制流程中,由于系統(tǒng)產(chǎn)品種類繁多、數(shù)量龐大、外協(xié)配套單位眾多,這種以文檔為中心的工作方式容易引起交流雙方的理解偏差。同時(shí),巨大的信息量使得要查找或更新某一參數(shù)狀態(tài)所需的工作量不斷增長(zhǎng)。隨著運(yùn)載火箭向智能化、全電化發(fā)展,箭上供配電的設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)將更為復(fù)雜,依靠傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段和流程,將無(wú)法提前發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題,亟需一種新的工作手段來(lái)改變這一現(xiàn)狀[1-2]。
基于模型的系統(tǒng)工程(model-based systems engineering, MBSE)利用形式化的模型實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證到工程實(shí)施的全過(guò)程管理。該方法有效解決了基于文檔設(shè)計(jì)方法在需求驗(yàn)證、技術(shù)狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)可追溯性等方面面臨的問(wèn)題,已經(jīng)成為了近年來(lái)航空航天領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[3]。
目前基于MBSE的研究中應(yīng)用最為廣泛的是Harmony系統(tǒng)工程方法,該方法采用系統(tǒng)建模語(yǔ)言(system modeling language, SysML)進(jìn)行建模。但是,實(shí)踐證明,針對(duì)運(yùn)載火箭的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì),由于SysML的語(yǔ)法過(guò)于復(fù)雜,對(duì)運(yùn)載火箭專業(yè)設(shè)計(jì)師掌握方法論和工具的熟練程度要求較高,設(shè)計(jì)師需耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)和理解SysML。此外,實(shí)現(xiàn)Harmony系統(tǒng)工程方法的建模工具(主要為Rhapsody等)定制能力有限、SysML圖形繁多以及建模過(guò)程較為靈話,往往會(huì)導(dǎo)致工程師在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生混淆與混亂。因此,本文采用另一種MBSE方法——架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)集成 (architecture analysis and design integrated approach, ARCADIA) MBSE方法,針對(duì)運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景的能源子系統(tǒng),研究基于ARCADIA實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性,并與Harmony系統(tǒng)工程方法進(jìn)行對(duì)比分析,為基于MBSE的電氣系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)提升效率、降低成本、奠定基礎(chǔ)。
在MBSE方法發(fā)展初期,系統(tǒng)工程師們一般采用功能流圖(functional flow block diagram, FFBD)開(kāi)展工作。但是,這種建模方法使用的符號(hào)和語(yǔ)義不同,嚴(yán)重限制了MBSE方法應(yīng)用實(shí)施的發(fā)展進(jìn)程。因此(unified modeling language,UML)軟件工程統(tǒng)一建模語(yǔ)言開(kāi)始被提出,并在工程應(yīng)用中進(jìn)行了實(shí)踐。SysML(系統(tǒng)建模語(yǔ)言)是一種面向系統(tǒng)工程體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)建模語(yǔ)言,它通過(guò)對(duì) UML 進(jìn)行重用和擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)用,并規(guī)范了符號(hào)和語(yǔ)義,從而消除了不同建模語(yǔ)言在表達(dá)法及術(shù)語(yǔ)上的不一致的問(wèn)題[4-6]。
目前,SysML已經(jīng)成為了支持MBSE方法的最重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模語(yǔ)言。2003~2007年,Thales公司依據(jù)ARCADIA方法論建立了ARCADIA SysML語(yǔ)言。ARCADIA SysML中的模型元素和視圖能覆蓋SysML相應(yīng)的元素和視圖,并且結(jié)合了工程實(shí)際對(duì)SysML進(jìn)行了封裝優(yōu)化,在繼承SysML語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),增強(qiáng)功能分析能力,采用系統(tǒng)思維,并結(jié)合了美國(guó)國(guó)防部架構(gòu)框架(department of defense architecture framework,DoDAF)的相關(guān)理念。該建模語(yǔ)言操作方便,并且更為符合設(shè)計(jì)工程師的使用習(xí)慣[7-9]。
ARCADIA是基于SysML擴(kuò)展的建模語(yǔ)言的MBSE方法,用于軟、硬件和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì),其由特定工具Capella支撐。ARCADIA系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示,在不同的工程視角上構(gòu)建一種方法,在系統(tǒng)上下文、需求建模和解決方案建模之間建立清晰的分離,主要包含運(yùn)行分析、系統(tǒng)分析、邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)和物理架構(gòu)設(shè)計(jì)四大流程,并附帶終端產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解功能以開(kāi)展后續(xù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[10-11]。
圖1 ARCADIA建模方法
基于ARCADIA方法論,利用Capella工具建模的主要流程如圖2所示。
圖2 ARCADIA方法技術(shù)途徑
建模流程主要分為兩大部分,通過(guò)運(yùn)行分析階段描述運(yùn)行場(chǎng)景,以及基于系統(tǒng)分析、邏輯架構(gòu)、物理架構(gòu)3個(gè)階段完成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。每個(gè)階段均完成以下4個(gè)步驟:(1)定義施動(dòng)者(也稱為外部參與者)和組件(運(yùn)行分析階段為實(shí)體,指系統(tǒng)或分系統(tǒng));(2)定義能力;(3)通過(guò)能力定義功能(運(yùn)行分析階段為活動(dòng));(4)將功能分配到施動(dòng)者和組件,并定義接口。其中,通過(guò)建模向?qū)е凶詣?dòng)轉(zhuǎn)換工具,能力、施動(dòng)者及組件、功能和關(guān)聯(lián)關(guān)系由上一階段繼承并細(xì)化。特別說(shuō)明,在系統(tǒng)分析階段能力需定義明確后續(xù)不再更改,邏輯架構(gòu)、物理架構(gòu)階段只需繼承能力。ARCADIA方法的建模流程中主要使用4種ARCADIA SysML圖,相關(guān)描述對(duì)象及涉及步驟如表1所示。
表1 ARCADIA SysML圖使用描述
此外,模型的正確性可通過(guò)追溯矩陣和狀態(tài)圖進(jìn)行驗(yàn)證,當(dāng)需要進(jìn)一步對(duì)功能交互進(jìn)行細(xì)化時(shí),可選擇功能數(shù)據(jù)流圖使表達(dá)更為清晰。
根據(jù)ARCADIA方法的頂層活動(dòng)流程,針對(duì)運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景的能源子系統(tǒng),完成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。
需要指出的是,在針對(duì)能源子系統(tǒng)應(yīng)用ARCADIA MBSE方法進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),省略了運(yùn)行分析這一階段,這是由于運(yùn)行分析階段只分析利益攸關(guān)者遇到的問(wèn)題、需要以及潛在要求,以待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的上一層級(jí)為視角,從最頂層入手分析系統(tǒng)所處的運(yùn)行環(huán)境。通常來(lái)說(shuō),運(yùn)行分析比較適用的場(chǎng)景包括:待設(shè)計(jì)系統(tǒng)是直接交付給終端用戶使用的;待設(shè)計(jì)系統(tǒng)是新研系統(tǒng),或相較于傳統(tǒng)型號(hào)改動(dòng)較大。而運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)中能源子系統(tǒng)是將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)供配電、測(cè)量系統(tǒng)供配電、能源子系統(tǒng)供配電等全箭供配電資源進(jìn)行一體化整合,因此并不適用于以上兩個(gè)場(chǎng)景。在應(yīng)用ARCADIA MBSE方法時(shí),從系統(tǒng)分析流程開(kāi)始,并通過(guò)邏輯架構(gòu)、物理架構(gòu)進(jìn)行繼承與細(xì)化,從而完成架構(gòu)分析和設(shè)計(jì)。
在系統(tǒng)分析階段,研究的是從待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的角度分析系統(tǒng)應(yīng)如何滿足外界的利益攸關(guān)者需求,提供具體的解決方案,總結(jié)系統(tǒng)需要具備的能力,定義系統(tǒng)應(yīng)具備的功能與交互,還需要考慮系統(tǒng)功能之間的交互[7],最終形成系統(tǒng)需求。
首先,根據(jù)建模流程步驟(1)定義施動(dòng)者和系統(tǒng),以及(2)定義系統(tǒng)能力。其中,系統(tǒng)施動(dòng)者指通過(guò)接口與系統(tǒng)交互的外部實(shí)體,系統(tǒng)能力指系統(tǒng)為支撐高層級(jí)運(yùn)行目標(biāo)的達(dá)成而應(yīng)提供的服務(wù)。針對(duì)運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景的能源子系統(tǒng),分析可得施動(dòng)者包括:總控系統(tǒng)、各個(gè)負(fù)載(負(fù)載1、負(fù)載2、負(fù)載3、負(fù)載4、負(fù)載5、負(fù)載6),能力為箭上供配電,系統(tǒng)的施動(dòng)者及系統(tǒng)能力可通過(guò)任務(wù)能力圖來(lái)進(jìn)行描述,能源子系統(tǒng)任務(wù)能力圖如圖3所示。
圖3 運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景能源子系統(tǒng)任務(wù)能力圖
接著,根據(jù)流程步驟(3)通過(guò)系統(tǒng)能力定義系統(tǒng)功能,系統(tǒng)功能指由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的,或系統(tǒng)施動(dòng)者在與系統(tǒng)交互時(shí)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作、操作或服務(wù)。最后,根據(jù)流程步驟(4)將系統(tǒng)功能分配到施動(dòng)者和系統(tǒng),并定義接口。如圖4所示,利用系統(tǒng)架構(gòu)圖將系統(tǒng)功能分配到系統(tǒng)或系統(tǒng)施動(dòng)者,系統(tǒng)功能之間通過(guò)功能交換關(guān)聯(lián)在一起,系統(tǒng)和系統(tǒng)之間通過(guò)組件交互(即接口協(xié)議)關(guān)聯(lián)在一起。
圖4 運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景能源子系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)圖
如圖5所示,利用系統(tǒng)交換場(chǎng)景圖在已分配的系統(tǒng)功能及功能交換基礎(chǔ)上明確信息、數(shù)據(jù)等對(duì)象流的先后順序關(guān)系。
圖5 運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景能源子系統(tǒng)系統(tǒng)場(chǎng)景圖
由圖4~5可知,經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析,在運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景下,當(dāng)接收到總控系統(tǒng)的開(kāi)啟地轉(zhuǎn)箭指令時(shí),能源子系統(tǒng)執(zhí)行箭上供電,并給箭上六類負(fù)載分別配電;當(dāng)能源子系統(tǒng)接收到斷箭供指令時(shí),系統(tǒng)執(zhí)行斷箭供??赏ㄟ^(guò)構(gòu)建運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常供配電場(chǎng)景的能源子系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)圖(如圖6),對(duì)系統(tǒng)分析功能邏輯進(jìn)行檢驗(yàn)。
圖6 運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景能源子系統(tǒng)系統(tǒng)狀態(tài)圖
邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)主要識(shí)別系統(tǒng)的組件,包括這些組件的內(nèi)容、互相之間的關(guān)系和各自的特性,但并不涉及這些組件的實(shí)現(xiàn)或技術(shù)問(wèn)題。在邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,考慮系統(tǒng)約束,并平衡系統(tǒng)性能、安全性和可靠性等指標(biāo),實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的系統(tǒng)分析,以求得到最佳的系統(tǒng)方案[7]。
同樣地,邏輯架構(gòu)階段由流程建模4個(gè)步驟組成。在承接系統(tǒng)分析結(jié)果之后,通過(guò)邏輯架構(gòu),將能源子系統(tǒng)進(jìn)一步定義為配電控制邏輯子系統(tǒng)、箭上配電邏輯子系統(tǒng)和電源子系統(tǒng),并將箭上供電功能分解為開(kāi)啟箭上配電功能、箭上配電功能和發(fā)送電力功能(如圖7),利用邏輯架構(gòu)圖(如圖8),將邏輯功能被分配到邏輯組件或邏輯施動(dòng)者,并定義邏輯組件接口,利用邏輯場(chǎng)景圖(如圖9)描述功能交互的先后順序。
圖7 運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景能源子系統(tǒng)邏輯功能分解圖
如圖8~9所示,經(jīng)過(guò)邏輯架構(gòu),在運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景下,當(dāng)能源子系統(tǒng)的配電控制邏輯子系統(tǒng)接收到總控系統(tǒng)的開(kāi)啟地轉(zhuǎn)箭指令時(shí),執(zhí)行開(kāi)啟箭上配電功能,并將開(kāi)啟配電指令和開(kāi)啟電力指令發(fā)送給箭上配電邏輯子系統(tǒng),之后電源邏輯子系統(tǒng)發(fā)送電力,箭上配電邏輯子系統(tǒng)執(zhí)行箭上配電功能并給箭上六類負(fù)載分別配電;當(dāng)能源子系統(tǒng)的配電控制邏輯子系統(tǒng)接收到總控系統(tǒng)的斷箭供指令時(shí),配電控制邏輯子系統(tǒng)執(zhí)行斷箭供。其中,總控系統(tǒng)和配電控制邏輯子系統(tǒng)的接口協(xié)議為測(cè)控協(xié)議。
圖9 運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景能源子系統(tǒng)邏輯場(chǎng)景圖
如圖10所示,可通過(guò)追溯矩陣對(duì)架構(gòu)模型的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)。
圖10 運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景能源子系統(tǒng)邏輯組件-邏輯功能追溯矩陣
物理架構(gòu)設(shè)計(jì)主要識(shí)別系統(tǒng)的組件,定義系統(tǒng)的最終構(gòu)架包括這些組件的內(nèi)容、互相之間的關(guān)系和各自的特性,同時(shí)包括其實(shí)現(xiàn)和技術(shù)問(wèn)題。在物理架構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,將考慮架構(gòu)的合理性、架構(gòu)的模式、新的技術(shù)服務(wù)和組件等,在邏輯架構(gòu)的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)現(xiàn)、技術(shù)限制和設(shè)計(jì)決策進(jìn)行演進(jìn)[7]。與系統(tǒng)分析階段、邏輯架構(gòu)階段類似,物理架構(gòu)階段包括4個(gè)步驟。在繼承邏輯分析的結(jié)果后,通過(guò)物理架構(gòu),獲得的物理功能分解圖、物理架構(gòu)圖、物理場(chǎng)景圖如圖11~13所示。
如圖11所示,經(jīng)過(guò)物理架構(gòu),能源子系統(tǒng)在運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景下,可將總控系統(tǒng)的發(fā)射控制指令功能細(xì)化分解為發(fā)送指令和接受反饋信息功能,將能源子系統(tǒng)的箭上配電功能細(xì)化分解為配電、監(jiān)控電壓、監(jiān)控電流功能。
圖11 運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景能源子系統(tǒng)物理功能分解圖
圖12 運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景能源子系統(tǒng)物理架構(gòu)圖
如圖12~13所示,經(jīng)過(guò)物理架構(gòu),在運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景下,能源子系統(tǒng)由配電器、多根箭上電纜、測(cè)量電池、多根地面電纜、配電控制組合、電壓表、電流表組成,當(dāng)能源子系統(tǒng)的配電控制組合接收到總控系統(tǒng)的開(kāi)啟地轉(zhuǎn)箭指令時(shí),執(zhí)行開(kāi)啟箭上配電功能,并將開(kāi)啟配電指令和開(kāi)啟電力指令發(fā)送給配電器,測(cè)量電池發(fā)送電力,配電器執(zhí)行配電功能并給箭上六類負(fù)載分別配電,同時(shí)電壓表、電流表分別負(fù)責(zé)將電壓、電流信息發(fā)送給總控系統(tǒng);當(dāng)能源子系統(tǒng)的配電控制組合接收到總控系統(tǒng)的斷箭供指令時(shí),配電控制組合執(zhí)行斷箭供。其中,總控系統(tǒng)和配電控制組合的接口協(xié)議為測(cè)控協(xié)議,由地面電纜進(jìn)行連接;配電控制組合與配電器之間通過(guò)地面電纜進(jìn)行連接,配電器與負(fù)載之間通過(guò)箭上電纜連接。
圖13 運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景源子系統(tǒng)物理場(chǎng)景圖
針對(duì)運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景的能源子系統(tǒng),同樣地基于Harmony系統(tǒng)工程方法,利用Rhapsody進(jìn)行架構(gòu)建模,對(duì)比兩個(gè)方法論及建模過(guò)程可得到如下結(jié)論:
1)ARCADIA方法論遵循遞歸和迭代生命周期方法,該方法的特點(diǎn)是每一建模階段的組成部分和關(guān)聯(lián)關(guān)系都由上一階段繼承而來(lái),并在下一階段進(jìn)行迭代和細(xì)化,因此可在邏輯架構(gòu)、物理架構(gòu)階段通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的不斷深入了解,不斷完善功能;而Harmony系統(tǒng)工程方法則有著固定的流程順序,需在功能架構(gòu)階段完成完整的功能分解和功能架構(gòu),才能進(jìn)入邏輯架構(gòu)階段,否則需耗費(fèi)較大工作量更改模型。因此,ARCADIA方法論更符合運(yùn)載火箭專業(yè)設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)習(xí)慣,而Rhapsody則通用性更強(qiáng),適合軟件工程相關(guān)專業(yè)或?qū)YSML有深入了解的工程師使用。
2)與Rhapsody相比,Capella具有導(dǎo)航式設(shè)計(jì)、工程化封裝界面等功能,對(duì)于不熟悉SysML建模語(yǔ)言的運(yùn)載火箭專業(yè)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)更為友好。同時(shí),Capella中 ARCADIA SysML圖模型元素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系會(huì)被自動(dòng)記錄,當(dāng)在某個(gè)視圖中對(duì)模型元素進(jìn)行了調(diào)整和更改,那么在其他視圖中該模型元素能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同步。而運(yùn)載火箭的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往要經(jīng)過(guò)大量的反復(fù)迭代和修改,因此ARCADIA方法論更受運(yùn)載火箭專業(yè)設(shè)計(jì)工程師的青睞。
3)對(duì)于運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),單機(jī)間的邏輯組件交互(接口協(xié)議)、物理組件交互(如電纜信息),是電氣專業(yè)設(shè)計(jì)和管理的重點(diǎn),利用ARACADIA方法論,能直觀地進(jìn)行描述和表達(dá),因此ARCADIA方法論更適用于運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
基于模型的系統(tǒng)工程方法能有效解決基于文檔的設(shè)計(jì)手段和流程產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題。本文研究了使用較少的MBSE方法論——基于封裝SysML建模語(yǔ)言的ARCADIA方法,并基于該方法論的基本思想和開(kāi)發(fā)流程,結(jié)合運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的研制特點(diǎn),獲得了針對(duì)運(yùn)載火箭地面測(cè)試時(shí)正常箭上供配電場(chǎng)景的能源子系統(tǒng)的架構(gòu)模型,詳細(xì)描述了系統(tǒng)分析、邏輯架構(gòu)及物理架構(gòu)的過(guò)程,并與目前較為主流的Harmony 系統(tǒng)工程方法進(jìn)行對(duì)比,針對(duì)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì), ARCADIA方法建模在系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)行方面有著較好的優(yōu)勢(shì),對(duì)運(yùn)載火箭專業(yè)設(shè)計(jì)師本身要求也較低,比較適合解決系統(tǒng)層面的問(wèn)題,為后續(xù)在電氣系統(tǒng)中開(kāi)展應(yīng)用MBSE方法提供了參考。